電廠工況自動監控系統設計與實現

[摘要]介紹了燃煤電廠工況自動監控系統的設計思路和實現方法，該系統基于環保VPN專網，通過在上網電廠治理設施生產控制單元中選取與環保監管相關的工況過程數據，對設施的運行過程和運行結果進行實時監控，實現重點污染源監控從“點末端監控”到“全過程監控”的轉變，進一步完善了環境自動監控系統的功能。

[關鍵詞]工況自動監控；電廠工況；工況在線監測；自動監控系統

[中圖分類號]TP277[文獻標識碼] A

1引言

保護環境是我國的基本國策，“十二五”期間，國家將主要污染物排放總量顯著減少作為經濟社會發展的約束性指標，著力解決突出環境問題，加快資源節約型、環境友好型社會建設。2011年，國務院發布了《關于加強環境保護重點工作的意見》，明確提出要全面提高環境監督管理水平的要求，實現由“點末端監控”向“全過程監控”的轉變。按照這一要求，為了全面掌握污染物排放當量、設施運行狀態、污染物排放監控數據的真實性，必須對電廠污染物排放自動監控系統進行完善升級，開展工況監控，在現有末端監控的基礎上，擴展到生產設施、污染治理設施運行狀態的監控，實現污染治理設施運行狀態分析、排放數據真實性判定。

本文給出了一種燃煤電廠工況自動監控系統的設計思路和實現方法，該系統基于環保部門VPN專網，能夠有效實現對燃煤電廠治污設施運行情況的全過程監管。

2系統總體設計概述

2.1技術路線

2.1.1系統采用多層體系結構進行設計，綜合采用XML技術、.NET Framework組件、ASP.NET Web開發模型及Visual C++語言進行開發。

2.1.2數據庫采用實時數據庫和關系型數據庫，實時數據庫用于存儲電廠每個工藝過程點的數據，提供清晰、精確的操作情況畫面，用戶既可瀏覽工廠當前的生產情況，也可回顧過去的生產情況。關系型數據庫用來存儲歷史數據和均值數據，以便實現統計、分析、報表、輔助決策等功能。

2.1.3采用監控組態化軟件進行現場工況的流程設計和數據展現。

2.1.4現場數據采集單元分別接入現場DCS（Distributed Control System，分布式控制系統）、CEMS（Continuous Emission Monitoring System，煙氣在線監測系統）、FGD（Flue gas desulfurization，煙氣脫硫）等系統，實現現場工況數據采集，并通過隔離網閘實現數據的單向傳輸，確保生產網絡的安全。

2.1.5脫硫及脫硝裝置關鍵參數如旁路擋板開度、石灰石（補充）漿液泵電流、增加風機電流、循環漿液泵電流等通過現場數據采集單元直接從采集傳感器獲取，確保數據的真實性。

2.1.6工況監控單元與環境監控中心通信服務器之間交互通訊流程和數據包結構遵循HJ/T212-2005《污染源在線自動監控（監測）系統數據傳輸標準》，采用TCP方式進行通訊。

2.2系統總體架構

系統總體分四層：采集層、網絡層、數據層和應用層，如圖1。

采集層位于電廠端，由相關硬件和軟件組成，主要負責工況數據采集、本地存儲和轉發、補發、重發。

網絡層位于電廠端和區域環境監控中心之間，由網絡通信模塊組成，負責工況數據發送及監控中心接收。

數據層位于區域環境監控中心，由實時工況數據庫和分析數據庫組成，主要負責工況數據的統一存儲。

應用層位于區域環境監控中心，為最終用戶提供一系列的功能模塊，包括實時工況監控，工況報警，工況數據分析、統計，環保執法、總量核算、排污統計等數據應用。

2.3系統組網結構

電廠工況自動監控系統依托于環保VPN專網，主要由工況現場系統和監控中心應用系統平臺兩部分組成，如圖2。

工況現場系統主要由數據采集單元、通信服務器和網絡交換機等組成。數據采集單元通過網閘與現場生產網絡DCS、CEMS、FGD等系統相連，采集生產過程有關數據；通過AI、DI接口直接與現場治污設施數據采集傳感器相連，采集主要的污染數據與治理設施狀態數據。通信服務器，一方面通過環保VPN專網與中心系統相連，實現現場實時采集數據的傳輸；另一方面，存儲和管理本地采集數據。

監控中心應用系統平臺主要由實時數據庫服務器、關系數據庫服務器、通信服務器、業務工作站等組成。

3電廠端系統設計

電廠端主要安裝工況現場采集系統，該系統關鍵任務之一是采集電廠工況數據，并將工況數據轉發到監控中心。主要由網絡設備、單向物理隔離網閘、數據采集單元、通訊服務器等組成。

數據采集單元，實現工況數據的采集、處理和本地存儲管理；采用嵌入式設計，具有1個10/100M以太網接口，可擴展的模擬量和開關量接口（標配8DI、16AI）。系統通過以太網口經過單向隔離網閘接入電廠生產網絡DCS、CEMS、FGD等系統，采用OPC（Object Linking and Embeding（OLE）for Process Control，用于過程控制的（OLE）和MODBUS（注：一種串行通信協議）等主流數據采集協議獲得生產過程各工況數據；通過模擬量和開關量接口直接從傳感器采集治污設施關鍵參數，確保數據的真實性。

通信服務器，負責現場工況管理和監控中心平臺通訊，將工況數據轉發監控中心平臺，其系統功能如圖3。

4監控中心應用系統設計

監控中心系統主要由實時數據庫服務器、關系數據庫服務器、通信服務器、應用服務器、業務工作站等組成。其應用系統軟件主要實現以下功能：

4.1實時工況監控

實時工況監控采用工藝流程圖的方式對電廠各發電機組的生產控制系統、治污設施控制系統、污染源在線監控系統的運行情況進行實時監控，監控的排污數據、狀態數據、過程數據每10秒鐘（刷新時間可定義1-3600S）刷新一次，并可查詢、統計監測參數任意時間段內的變化趨勢，支持將多個監測參數組合進行對比、分析。

4.2工況數據關聯分析

工況數據關聯分析主要是依據實現定義的分析模型，對電廠工況進行綜合分析，判斷發電機組、治污設施的運行情況是否正常、污染源監測數據是否可靠，及時發現發電機組生產過程、治污設施、監測系統可能存在的異常情況（偷排、治污設施假運行等）。

工況驗證分析是基于中心工況過程數據庫中存儲的工況數據做分析驗證，主要提供實時工況數據關聯分析，實時工況數據超限分析，實時模型計算分析、與現有污染源自動監控數據進行一致性判斷。

4.2.1實時工況數據關聯分析

在工況治理設施運行時，許多工況參數是相互關聯的。各工況數據之間存在或松或緊的關聯關系，當其中某個工況數據變化時，與之相關聯的工況數據都會跟著變化。如：煙氣流量分析、煙氣溫度分析、SO2濃度分析、旁路擋板門工況分析、增壓風機工況分析等。例如，煙氣流量分析，相關參數包括：煙囪流量、FGD出口流量、FGD入口流量，根據FGD入口和出口流量判定煙囪的流量。

4.2.2實時工況數據超限分析

對工況（單個或組合）參數的超限分析，并判斷工況運行是否正常，數值有否超標。

通過分析脫硫及脫硝系統的關鍵參數，如：吸收塔PH值、脫硫效率、CEMS監測二氧化硫濃度、CEMS監測煙氣溫度與原煙氣溫度差等，確定其正常數值范圍，并建立超限表達式，由分析引擎實時分析和記錄。依據這些參數超限分析，可以對設施運行好壞做出判定，也能對可能存在的設備故障及參數造假做出可能性判斷。

4.2.3實時模型計算分析

在實時工況數據關聯分析及實時工況數據超限分析的基礎上，將一組判斷治污設施運行的表達式，依據一定的規則順序組成模型。

例如，應用工況數據關聯和工況數據超限兩種手段來組合分析旁路擋板信號故障及人為造假情況。首先根據增壓風機的電流及動葉開度與機組負荷、引風機電流直接的線性關系分析；其次分析根據凈煙氣流量是否跟機組總送風量、原煙氣流量、CEMS監測煙氣流量是否也呈線性關系；最后分析CEMS監測煙氣溫度與原煙氣溫度差是否超限、CEMS監測煙氣壓力與原煙氣壓力差是否超限等。當上述規則有一條以上出現異常時，可懷疑旁擋板信號故障及人為造假情況，異常規則越多，懷疑的可能性越大。

4.2.4與現有污染源自動監控數據進行一致性判斷

將工況監控系統中的電廠和污染源自動監控系統中的電廠自動監測數據進行一一對應關聯，通過數據誤差分析對污染源監測系統接收到的數據真實性進行評估。

4.3工況報警

工況報警主要是根據工況數據內部邏輯關系，定義報警規則，系統根據報警規則，自動產生報警信息，報警信息通過短信平臺、報警值守系統向省（市）環保部門、運營商、電廠管理部門發出報警信息，以便及時發現問題，解決問題。

4.4數據查詢

數據查詢主要針對采集的排污數據、狀態數據、過程數據進行綜合查詢。為方便監測數據的查詢，系統提供按時間段、按電廠/機組、按監測參數、按工業處理流程方法等多種查詢條件，查詢出的信息，可按表格或圖形方式顯示，并可將數據導出成常用的格式（如EXCEL等）。

4.5統計報表

統計報表功能可以按日、月、季、年等方式統計出該時間段內的數據，形成報表并可以導出打印。便于進行相關的統計業務，并為決策提供數據依據。

4.6運行情況管理

4.6.1運行情況統計

運行情況統計通過結合重點污染源值班管理系統的相關信息，統計電廠各發電機組生產設備、治污設施、監測設備的運行情況。系統可根據值班管理系統排除已上報的停運、檢修、故障的發電機組。

4.6.2數據上傳情況統計

數據上傳情況統計主要是根據監測的過程數據、狀態數據、排污數據的上傳頻率統計各電廠的數據整體上傳情況，整體把握工況在線監測系統的數據采集情況。

4.6.3工況核定

工況核定主要是對治污設施的投運、停運做人為的核定，為之后的核定總量提供更加精確的數據。

工況參數在經過規則的判定時分為兩種情況：系統判斷規則能準確地判斷治污設施的起停；而參數判斷規則在判斷后，還需要對工況參數報警做人為的核準。工況核定是一個工具，可以對各種工況作有效和無效性核定，而無論是哪種報警在核實真實情況后也都可以重新做修正。

在有了準確的核定后，對治污設施的各類數據才能精確的統計，如：享受脫硫電價的發電量，就需要統計在脫硫正常投運下機組所發電量的總和。

4.6.4工況數據審核

審核主要是對工況數據的有效性進行確認。系統根據各項監測參數的上下限、關聯規則進行自動核定，對于超出上下限制或經過關聯規則檢查發現問題的監測數據給予醒目的提示（通過顏色區別等），監控中心工作人員重點核對有問題的監測參數，并進行相應的處理，并由工作人員確認監測的數據是否有效。

4.6.5總量核定

總量核對主要依據過程數據、狀態數據對SO2等污染物數據的總量進行核定。污染物總量的計算先根據在線監測系統的監測數據（如S02）進行分時段匯總，然后根據過程數據、狀態數據運行中的異常情況，綜合分析各時段污染源總量數據的可靠性，對于可疑或不可靠的數據，進行人工確定。

4.7工況設置

4.7.1工藝流程定義

工業流程定義主要是根據各電廠每個機組的脫硫脫硝處理技術來繪制其處理工藝流程圖，包括生產控制部分、治污處理部分、在線監控部分。工藝流程圖的各組成設備及處理流程方向以圖片控件、流程線控件來表示，由用戶通過拖拽控件完成工藝流程圖的繪制。

在定義工藝流程圖的各組成設備時，可同時對該設備對應的監控參數進行定義，并設置監控參數的單位、上下限值等。

4.7.2關聯規則定義

關聯規則定義主要是根據處理工藝的不同構建過程數據、狀態數據、排污數據的相互校驗關系統，為數據的工況分析提供依據。

關聯規則的定義通過數據公式、邏輯關系進行定義。

4.7.3采集參數設置

采集參數設置主要根據電廠的脫硫、脫銷處理工藝進行監測參數的定義，主要包括生產過程、治污設施的各項參數定義（含監測參數的單位等）。

4.7.4通訊參數設置

通訊參數設置主要用于定義平臺軟件與前端工況數據采集設備通訊過程中使用的相關參數。

4.8遠程控制

遠程控制主要是對前端工況數據采集設備進行遠程管理，包括遠程參數設定、遠程重啟設備、遠程時鐘設置、遠程校時、監測參數設置、數據補調等功能。

5結論

本文給出的電廠工況自動監控系統，通過在上網電廠治理設施生產控制單元中選取與環保監管相關的工況過程數據，對設施的運行過程和運行結果進行實時監控，實現了“點末端監控”到“全過程監控”的轉變。進一步完善了環境自動監控系統功能，實現電廠污染防治全過程自動監控，提升監控數據全面分析、邏輯印證和應用能力，準確反映電廠實際排污情況，科學核算主要污染物排放量，為上網電廠排污費征收核定、脫硫脫硝電價核算、污染減排和環境管理提供準確可靠依據。

參考文獻：

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作者簡介：楊先鋒（1968.10-），男，環境工程專業，碩士，工程師，研究方向：環境自動監控。